成麗麗 王明召

一種溫敏智能水凝膠

成麗麗 王明召

高分子水凝膠指能夠在水中溶脹并保持大量水分的不溶性交聯(lián)聚合物，它具有網(wǎng)絡結構。一些水凝膠受到外界環(huán)境的刺激，如溫度、溶液的組成、pH值、電場等變化時，其結構和性能(一般是體積)會隨之發(fā)生突變，呈現(xiàn)體積相變(體積的突然收縮或膨脹)行為，從而具有智能功能。其中對溫度敏感的水凝膠叫做溫敏水凝膠。

一、一種典型的溫敏水凝膠—PNIPA水凝膠

溫敏水凝膠的種類很多，其中聚N–異丙基丙烯酰胺(PNIPA)類水凝膠最受關注。PNIPA水凝膠可由N–異丙基丙烯酰胺(NIPA)單體在交聯(lián)劑、引發(fā)劑等存在下聚合生成(如圖1所示)。NIPA的側鏈中既含有親水性的酰氨基又含有疏水性的異丙基，NIPA聚合生成網(wǎng)絡結構的水凝膠。

圖1 PNIPA水凝膠的合成

低溫時，PNIPA水凝膠三維網(wǎng)絡結構中存在許多孔隙，水可以占據(jù)孔隙，發(fā)生吸水溶脹。此時水分子與PNIPA的酰胺基團形成氫鍵，在聚合物四周形成高度有序的水分子層，聚合物處于伸展狀態(tài)(如圖2左側所示)。當溫度升高至某個溫度(叫做最低臨界溶解溫度LCST，通常在30～35℃范圍)時，氫鍵遭到破壞，包裹在聚合物周圍的水分子減少，疏水基團之間的疏水締合作用增強，水從孔隙中排出，凝膠突然收縮，發(fā)生退溶脹(如圖2所示)。以上變化過程可逆，收縮的凝膠會隨著溫度的降低而再次溶脹，恢復原狀。

圖2 PNIPA水凝膠的體積相變示意圖

LCST是水凝膠的重要參數(shù)，可以通過在聚合過程中加入疏水或親水的共聚單體、溶劑、簡單鹽類、表面活性劑等來改變。通常，PNIPA聚合物的疏水部分越多，水凝膠的LCST越高，親水部分越多則相反。例如，以NIPA與疏水性更強的N，N–二甲基丙烯酰胺為原料，制得的PNIPA水凝膠的LCST隨著后者含量的增大而升高。

由于PNIPA水凝膠的LCST接近人體溫度，它的溫敏智能性和記憶效應引起了人們很大的興趣，在生物醫(yī)學領域，例如物質分離、藥物釋放、酶和細胞的固定化等方面有著很好的應用前景。

二、PNIPA溫敏水凝膠用于酶固化研究

在酶分子存在下，用NIPA聚合成PNIPA水凝膠，可將酶分子包埋在水凝膠中，實現(xiàn)酶的固定。此時酶分子被束縛在水凝膠網(wǎng)絡中，只有小分子可以通過水凝膠的網(wǎng)絡擴散，這可以改變酶的釋放速率行為，從而改變酶的活力。固定化酶最顯著的優(yōu)點是在保證酶活性的前提下，反應產物易于分離，酶的穩(wěn)定性增強，酶還能重復利用。另外，酶和水凝膠的結合也可以實現(xiàn)對所催化反應速率的控制。溫度高于LCST時，水凝膠收縮，水凝膠中的孔隙空間變小，水凝膠珠的表面坍塌形成一層膜，反應物擴散進入水凝膠的速度減慢，產物也不易釋放。累積的產物抑制了酶的活性，使其活性顯著降低，好像“關閉”了酶的活性。溫度低于LCST時，水凝膠重新溶脹，孔隙的空間變大，酶活性恢復，好像“開啟”了酶的活性。水凝膠的溫度起到了“開/關”酶活性的作用。

在此舉一個將β–半乳糖苷酶固定在PNIPA水凝膠珠中的研究實例。β–半乳糖苷酶催化鄰硝基苯–β–D–半乳吡喃糖苷(ONPG)分解，生成鄰硝基苯酚和半乳糖(如圖3所示)，反應物和產物都是水溶性小分子。在30～35℃的熱循環(huán)過程中，加熱時水凝膠收縮，將產物和未反應的反應物從凝膠內擠出；冷卻時反應物與周圍溶液中的產物一同隨著水凝膠的溶脹而進入水凝膠內部。在35℃時，凝膠外產物的濃度與凝膠內反應物的濃度比達到最高，因此表現(xiàn)出最高反應活性。在30℃時，該比值達最低，反應活性也最低。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對反應的有效控制。

圖3 β–半乳糖苷酶催化分解ONPG

三、PNIPA溫敏水凝膠用于藥物釋放研究

人體攝入常規(guī)藥物后，血液中藥物的濃度迅速上升至最大值，遠遠超過治療所需的濃度，然后由于代謝、排泄及降解作用又迅速降低因而影響療效。這樣造成藥物的利用率低，因此需要多次服用藥物。為了使藥物在體內維持治療所需的濃度，人們正在研究藥物控制釋放系統(tǒng)。其中，PNIPA水凝膠就是一個具有藥物緩釋功能的載體。

以一種由PNIPA水凝膠和透析膜組成的溫敏性藥物釋放系統(tǒng)為例，模型藥物為5-氟尿嘧啶(5-Fu)，它是一種水溶性的小分子抗癌藥物，在體內降解快(在血漿中半衰期約為10～20 min)，毒性大。25℃下，將PNIPA水凝膠浸泡在5-Fu水溶液中，水凝膠將5-Fu包埋起來。然后將載藥的水凝膠裝入透析袋，就形成一個溫敏性藥物釋放系統(tǒng)。實驗結果如圖4所示，在體溫37℃下，5-Fu釋放速率快，并可持續(xù)釋放300 min以上，5-Fu的濃度在這段時間內可以很快基本維持在一個水平。在溫度較低的10℃下，釋藥速率變緩。

圖4 PNIPA水凝膠和透析膜藥物釋放系統(tǒng)對5-Fu的緩釋效果圖

在這種系統(tǒng)中，如何利用溫度變化來控制藥物分子釋放呢？藥物分子5–Fu從水凝膠中釋放時，需要通過凝膠網(wǎng)絡和透析膜。通過透析膜不受溫度的影響，人們利用的是PNIPA水凝膠的溫敏性。如圖5所示，當溫度低于LCST時，PNIPA水凝膠吸水溶脹，緊貼透析膜，藥物分子的釋放是從水凝膠內部向膜外擴散，因而速率慢。當溫度逐漸升至LCST，PNIPA水凝膠收縮，將凝膠中的藥物分子擠出來，進入凝膠和透析膜之間的空隙。此時，藥物分子的釋放是從這些空隙向膜外擴散，擴散速度只受到透析膜控制，因而速率加快。在醫(yī)學上，常見到炎癥或癌癥等疾病導致人體體溫升高，往往需要加大藥量，因此本例溫敏藥物釋放系統(tǒng)具有良好的應用前景。

圖5 一種溫敏性藥物釋放系統(tǒng)對藥物的緩釋原理示意圖

[1] 金淑萍，柳明珠，陳世蘭，等.智能高分子及水凝膠的響應性及其應用[J].物理化學學報，2007，23(3)：438～446

[2] 宋江莉，王秀芬.LCST類水凝膠開關效應的研究進展[J].化學進展，2004，16(1)：56～60

[3] 侯長軍，周雪松，霍丹群，等.NIPA系溫敏凝膠結構改性及性能研究進展[J].材料導報，2008，22(7)：35～38

[4] Young D Y, Kwang S O, Young C B. Phase transition of submicron sized N-alkylacrylamide-derivative copolymer particles: applicability of photon correlation spectroscopy[J].Polymer, 1997, 38(14)：3471～3476

[5] Park T G, Hoffman A S. Effect of temperature cycling on the activity and productivity of immobilized β-galactosidase in a thermally reversible hydrogel bead reactor[J]. Appl Biochem Biotechnol, 1988, 19(1): 1～9

[6] Zhang X Z, Zhuo R X, Cui J Z, et al. A novel thermo-responsive drug delivery system with positive controlled release[J]. Int J Pharm, 2002, 235: 43～50

稿件編號：1103140

成麗麗，在讀碩士研究生。王明召，博士，副教授。

北京師范大學化學學院。

國家級化學實驗教學團隊建設項目，教育部實驗室共建項目，北京市教育委員會共建項目，北京師范大學教學建設與改革項目。